Ζυμωτική ικανότητα ξηρανθεισών με θέρμανση ζυμών που ζυμώνουν τη λακτόζη

Abstract

The aim of the present thesis was the valorisation of whey, a major waste of the food industry. Another objective of the thesis was the study of simple thermal drying techniques as preservation methods of microorganisms fermenting lactose and the production of dried starter cultures with potential for commercialisation. In the first section of the thesis, a literature review provides: General information on whey and lactose Lactose fermenting microorganisms Preservation methods for microorganisms Cell immobilization methods and technologies for food production In the second section, the materials and methods used in the present thesis are presented. Finally, in the third section, the results are presented and thoroughly discussed. Specifically, thermal drying of kefir and Kluyveromyces marxianus, free and immobilized cells on delignified cellulosic material (DCM) and gluten pellets, were studied. Three different thermal drying methods (convective drying, drying under vacuum, and drying by air stream) were used for drying of kefir biomass and the effect on cell viability, fermentation rate and other kinetic parameters of lactose and whey fermentation using these dried culture were examined. Air drying rate was higher than that of the convective drying and even higher than that of vacuum drying at all temperatures were studied (28, 33 and 38oC). Ethanol concentration, productivity and yield were higher in whey fermentations performed by air dried kefir biomass. However, higher lactic acid concentration was achieved in batch fermentations performed by convectively dried kefir. Storage of kefir, air dried at 33oC for 4 months, without any other precautions, decreased its fermentation activity, ethanol production by 31% and lactic acid productivity by 20%. Nevertheless, a significant part of its initial fermentative activity was retained, rendering thermal drying a promising technology for industrial starter culture production. Subsequently, air drying of a thermophilic K. marxianus strain was effectively performed at temperatures 35-60oC, with 35 oC being the most effective. Volatile analysis of fermented whey using SPME GC-MS revealed similar volatile profiles with traditional drinks from vegetable raw materials. Kefir cells were also immobilized on DCM and were air dried at 28, 33 and 38oC. Drying kinetics showed no significant differences among the applied drying temperatures. The dried immobilized biocatalysts were stored at 4oC for 4 months and subsequently used for whey fermentation. The results showed that the air dried biocatalyst can be preserved for 4 months without significant loss of its fermentation efficiency. The fermentation efficiency of K. marxianus cells immobilized on DCM and dried with different thermal drying techniques at various temperatures was also studied. Firstly, the immobilized biocatalyst was dried by convective, air, and vacuum drying techniques at 35, 42, 48, 55 and 60oC and the dried biocatalysts were used for lactose and whey fermentations. Air drying was the most efficient technique used, and the fermentation efficiency of air dried immobilized K. marxianus on DCM at the higher temperatures of 70, 80 and 90oC was further studied. The dried biocatalyst showed high tolerance even at these high temperatures and although fermentation times were higher, they were within acceptable limits. SPME GC-MS analysis of whey fermented with the biocatalyst dried at high temperatures showed presence of numerous aroma-related compounds. In conclusion, high temperature dried K. marxianus immobilized on DCM retained its fermentation efficiency. However, the higher energy demand of the high temperature drying is a considerable disadvantage, but the higher drying rate and lower time required for full dehydration of the biocatalyst decreases the process cost within reasonable levels. Furthermore, kefir and K. marxianus cells immobilized on gluten pellets were air dried and their lactose and whey fermentation efficiency are reported. It was concluded that gluten pellets could be used as immobilization support for the production of active thermally dried starter cultures. The required time for drying of the immobilized biocatalyst was higher than that of DCM but the fermentation kinetics were satisfactory. Finally, the investment cost for dried kefir cells production with thermaldrying methodology was evaluated aiming at commercial production of starter cultures for dairy industry. Kefir biomass was produced at pilot plant scale using a 250 L bioreactor with cheese whey as raw material. Kefir cells were subsequently dried in an industrial thin layer thermal dryer at 38°C and used as starter culture at industrially ripened of hard cheeses. This was the basis for an economic analysis in which the industrial-scale production of thermally dried kefir starter culture was carried out. The industrial design involved a three-step process using three bioreactors of 100, 3000, and 30000 L for a plant daily capacity of 300 kg of thermally dried kefir culture. The cost of investment was estimated at 238,000 €, which is 46% of the corresponding cost using freeze-drying methodology. The production cost was estimated at 4,9 €/kg of kefir biomass for a daily plant capacity of 300 kg, roughly equal to the cost of freeze-dried cells. Finally, the added value within the European Union is estimated to 10,8×109 €, provided that the total EU whey amount produced, will be employed.

Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η αξιοποίηση ενός αποβλήτου της βιομηχανίας τροφίμων όπως είναι το τυρόγαλα και παράλληλα η μελέτη της θερμικής ξήρανσης ως μεθόδου συντήρησης των μικροοργανισμών και η παραγωγή ξηρών αρχικών καλλιεργειών. Στο πρώτο μέρος της διατριβής παρουσιάζονται όλες οι πληροφορίες που προκύπτουν από την πρόσφατη και παλαιότερη βιβλιογραφία και αφορούν : μεθόδους συντήρησης των μικροοργανισμών, πληροφορίες για τους μικροοργανισμούς που ζυμώνουν τη λακτόζη, τεχνολογία και μεθόδους ακινητοποίησης μικροοργανισμών, δεδομένα σχετικά με το τυρόγαλα αλλά και τη λακτόζη. Στο δεύτερο μέρος αναφέρονται οι μέθοδοι και τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν για την πραγματοποίηση των πειραμάτων ενώ στο τρίτο μέρος παρουσιάζονται τα αποτελέσματα και η συζήτηση αυτών. Έτσι μελετήθηκε η επίδραση της θερμικής ξήρανσης στη ζυμωτική ικανότητα του kefir και του K. marxianus τόσο σε ελεύθερα κύτταρα όσο και σε ακινητοποιημένα σε απολιγνινοποιημένα κυτταρινούχα υλικά (Α.Κ.Υ.) αλλά και σε γλουτένη. Αναλυτικότερα, αρχικά χρησιμοποιήθηκαν τρεις μέθοδοι θερμικής ξήρανσης που ήταν η ξήρανση με θέρμανση, με κενό και με ρεύμα αέρα. Αυτό έγινε για την ξήρανση της βιομάζας του kefir ενώ μελετήθηκε η επίδρασή τους στην βιωσιμότητα των κυττάρων, στην ταχύτητα ζύμωσης και σε άλλες κινητικές παραμέτρους ζυμώσεων συνθετικού θρεπτικού μέσου λακτόζης και τυρογάλακτος. Η ταχύτητα της ξήρανσης με ρεύμα αέρα ήταν μεγαλύτερη από αυτή της ξήρανσης με θέρμανση και πολύ πιο μεγάλη από αυτή της ξήρανσης υπό κενό σε κάθε θερμοκρασία που μελετήθηκε. Μετά την ξήρανση ακολούθησαν ζυμώσεις με τον ξηρό βιοκαταλύτη. Η συγκέντρωση της αιθανόλης, η παραγωγικότητα σε αιθανόλη και η απόδοση σε αιθανόλη ήταν υψηλότερες σε ζυμώσεις τυρογάλακτος που πραγματοποιήθηκαν με ξηρανθέν kefir με ρεύμα αέρα. Η συγκέντρωση του γαλακτικού οξέος, η παραγωγικότητα σε γαλακτικό οξύ και η απόδοση σε γαλακτικό οξύ ήταν υψηλότερα στην περίπτωση της ξήρανσης με θέρμανση. Η αποθήκευση της βιομάζας του kefir που ξηράνθηκε με ρεύμα αέρα στους 33oC για 4 μήνες χωρίς ιδιαίτερη προστασία, μείωσε τη ζυμωτική ικανότητα του βιοκαταλύτη, την παραγωγικότητα σε αιθανόλη κατά 31% και την παραγωγικότητα σε γαλακτικό οξύ κατά 20%. Έτσι, η ξήρανση με ρεύμα αέρα παραμένει υποσχόμενη τεχνολογία καθώς διατηρήθηκε ένα σημαντικό ποσοστό της ζυμωτικής ικανότητας του βιοκαταλύτη. Επίσης μελετήθηκε η επίδραση της θερμικής ξήρανσης στη ζυμωτική ικανότητα ελεύθερων κυττάρων K. marxianus. Ο θερμικά ξηρανθείς θερμόφιλος K. marxianus έχει αποδειχθεί ότι είναι μια αποτελεσματική αρχική καλλιέργεια για τη ζύμωση τυρογάλακτος. Η θερμική ξήρανση με ρεύμα αέρα του βιοκαταλύτη πραγματοποιήθηκε αποτελεσματικά σε εύρος θερμοκρασιών 35-60oC με τους 42oC να δίνουν τα καλύτερα αποτελέσματα. Το ζυμωθέν τυρόγαλα μετά από ανάλυση με GC-MS φάνηκε ότι περιείχε πτητικά παραπροϊόντα σαν αυτά που υπάρχουν σε παραδοσιακά ποτά. Το kefir ακινητοποιήθηκε σε Α.Κ.Υ. και ξηράνθηκε με ρεύμα θερμού αέρα στους 28,33 και 38oC. Ως προς την ξήρανση δεν υπήρξαν σημαντικές διαφοροποιήσεις ανάμεσα στις τρεις θερμοκρασίες. Ο ξηρός ακινητοποιημένος βιοκαταλύτης αποθηκεύτηκε στους 4oC για 4 μήνες και στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκε για τη ζύμωση τυρογάλακτος. Από τα αποτελέσματα των ζυμώσεων φαίνεται ότι η μέθοδος της θερμικής ξήρανσης με ρεύμα αέρα επιτρέπει την συντήρηση του βιοκαταλύτη για σημαντικό χρονικό διάστημα διατηρώντας ένα σημαντικό ποσοστό της λειτουργικότητας και της ζωτικότητάς του. Στη συνέχεια ο K. marxianus ακινητοποιημένος σε Α.Κ.Υ. ξηράνθηκε με θέρμανση, με ρεύμα αέρα και υπό κενό στους 35, 42, 48, 55 και 60oC και χρησιμοποιήθηκε για τη ζύμωση συνθετικού θρεπτικού μέσου λακτόζης και τυρογάλακτος. Από τα αποτελέσματα φαίνεται ότι η ξήρανση με ρεύμα αέρα ήταν η πιο αποτελεσματική σε σχέση με τις άλλες δύο μεθόδους θερμικής ξήρανσης. Έτσι ο ακινητοποιημένος βιοκαταλύτης ξηράνθηκε με ρεύμα αέρα σε υψηλές θερμοκρασίες των 70, 80 και 90oC και μελετήθηκε η ζυμωτική του ικανότητα με ζυμώσεις συνθετικού θρεπτικού μέσου λακτόζης και τυρογάλακτος. Ο ακινητοποιημένος βιοκαταλύτης επέδειξε μεγάλη ανθεκτικότητα ακόμα και σε αυτές τις υψηλές θερμοκρασίες. Οι ταχύτητες ζύμωσης ήταν χαμηλότερες από εκείνες στις χαμηλότερες θερμοκρασίες αλλά μέσα σε αποδεκτά όρια. Ανάλυση του ζυμωθέντος τυρογάλακτος με GC-MS, έδειξε ότι ακόμα και με ξήρανση στους 90oC υπήρχε ένας μεγάλος αριθμός συστατικών του αρώματος. Έτσι ο ακινητοποιημένος βιοκαταλύτης θερμικά ξηρανθείς με ρεύμα αέρα σε υψηλές θερμοκρασίες διατηρεί σημαντικό ποσοστό της ζυμωτικής του ικανότητας, αφήνοντας πολύ μικρές συγκεντρώσεις αζύμωτου σακχάρου. Το μεγάλο ποσό ενέργειας που απαιτείται για τις υψηλές θερμοκρασίες είναι ένα μειονέκτημα αλλά ο πολύ μικρός χρόνος ξήρανσης μειώνει αισθητά το συνολικό κόστος και κάνει πληρέστερη ξήρανση του βιοκαταλύτη. Το kefir και ο K. marxianus ακινητοποιήθηκαν σε σφαιρίδια γλουτένης. Έτσι μελετήθηκε η επίδραση της ξήρανσης με ρεύμα θερμού αέρα στην ζυμωτική τους ικανότητα. Μετά την ξήρανση, οι δύο ακινητοποιημένοι βιοκαταλύτες χρησιμοποιήθηκαν για ζυμώσεις συνθετικού θρεπτικού μέσου λακτόζης και τυρογάλακτος. Από τα αποτελέσματα φαίνεται ότι τα σφαιρίδια γλουτένης θα μπορούσαν να αποτελέσουν εναλλακτικό υπόστρωμα ακινητοποίησης για την παραγωγή θερμικά ξηρανθεισών αρχικών καλλιεργειών. Αν και ο χρόνος που απαιτείται για την ξήρανσή τους είναι μεγαλύτερος από τον αντίστοιχο χρόνο ξήρανσης για τα Α.Κ.Υ., ωστόσο τα αποτελέσματα των ζυμώσεων είναι αρκετά ικανοποιητικά. Τέλος, μελετήθηκε το κόστος της επένδυσης για την εφαρμογή της μεθόδου θερμικής ξήρανσης για την παραγωγή ξηρής βιομάζας kefir ως αρχικής καλλιέργειας στη βιομηχανία. Η ανάπτυξη της βιομάζας του kefir πραγματοποιήθηκε σε πιλοτική μονάδα χρησιμοποιώντας βιοαντιδραστήρα 250 L και τυρόγαλα ως πρώτη ύλη. Η υγρή βιομάζα kefir ξηράνθηκε σε λεπτή στοιβάδα και σε βιομηχανικό θερμοθάλαμο στους 38oC και χρησιμοποιήθηκε στη βιομηχανία ως αρχική καλλιέργεια για τη παραγωγή σκληρών τυριών. Η έρευνα αυτή αποτέλεσε τη βάση για την πραγματοποίηση οικονομικής ανάλυσης για την βιομηχανική παραγωγή ξηρής αρχικής καλλιέργειας kefir με θερμική ξήρανση. Η βιομηχανική σχεδίαση περιελάμβανε μια διαδικασία τριών-βημάτων με τρεις βιοαντιδραστήρες των 100, 3000 και 30000 L για παραγωγή 300 kg θερμικά ξηρανθείσας αρχικής καλλιέργειας kefir ανά ημέρα. Το κόστος της επένδυσης υπολογίστηκε στα 238000 € το οποίο αποτελεί το 46% του αντίστοιχου που θα απαιτούνταν με τη χρήση της λυοφιλίωσης. Το κόστος παραγωγής υπολογίσθηκε στα 4,9 €/kg βιομάζας kefir για παραγωγή 300 kg ανά ημέρα το οποίο είναι ίδιο με το κόστος παραγωγής στην περίπτωση εφαρμογής της λυοφιλίωσης ως μεθόδου ξήρανσης. Η προστιθέμενη αξία από την αξιοποίηση όλης της ποσότητας τυρογάλακτος που παράγεται εντός της Ευρωπαϊκής Ένωσης, για παραγωγή ξηρών αρχικών καλλιεργειών με τη μέθοδο της θερμικής ξήρανσης, υπολογίσθηκε στα 10,8×109 €.